Введение к работе
Актуальность темы. Диссертационная работа посвящена исследованию влияния кулоновских корреляций на магнитные, решеточные и спектральные свойства систем, в которых имеет место сильная ковалентная связь, обусловленная гибридизацией между состояниями лиганда и частично заполненными состояниями металла. В таких соединениях корреляционные эффекты важны для состояний вблизи уровня Ферми, описываемых гибри-дизованными волновыми функциями. А отличительной особенностью энергетической структуры этих систем является наличие взаимного наложения и размытия гибридизованных и коррелированных состояний, что осложняет задачу моделирования электронной структуры подобного типа соединений.
В качестве объектов исследований были выбраны следующие соединения. Соединение ЬаСоОз, для которого до сих пор нет однозначного теоретического описания сценария температурно зависимого перехода ионов Со из немагнитного в магнитное состояние, поскольку для этого требуется одновременный учет как кулоновских корреляций, так и гибридизации между р-орбиталями О и d-орбиталями Со, а также проведение детального мультиплет-ного анализа состояний ионов Со при росте температуры. Соединение Ваі_жКжВіОз при легировании калием проявляет сверхпроводящие свойства с температурой перехода 30 К и концентрацией легирующего вещества 37%. В этом соединении между коррелированными s-состояниями Ві и р-состояниями О имеет место сильная гибридизация. Для данного соединения до сих пор остается открытым вопрос о роли электрон-фононного взаимодействия в реализации механизма сверхпроводимости. Соединение LiFeAs является высокотемпературным сверхпроводником с температурой перехода 18 К. Для него характерно наличие сильной гибридизации между Fe-3d и As-4p состояниями, а однозначная оцен-
ка роли кулоновских корреляций между d-электронами железа в формировании электронной структуры соединения отсутствует.
Цель работы. Целью данной работы является теоретическое исследование влияния кулоновских корреляций на магнитные, решеточные и спектральные свойства систем в которых имеет место сильная гибридизация на примере соединений ЬаСоОз, Ваі_жКжВіОз и LiFeAs. Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи: во-первых, установить сценарий реализации спинового перехода в соединении ЬаСоОз при росте температуры, учитывая корреляции между d-электронами Со, а также сильную p-d гибридизацию; во-вторых, принимая во внимание электронные корреляции между гибридизованными s-p состояниями в Ваі_жКжВіОз, воспроизвести эффект смягчения фононной моды А\д при легировании и оценить изменение константы элек-трон-фононного взаимодействия вследствие учета кулоновских корреляций; в-третьих, учитывая сильную гибридизацию между Fe-3d и As-4p состояниями, выяснить роль электронных корреляций в формировании особенностей спектральной картины соединения LiFeAs и определить коэффициент увеличения эффективной электронной массы.
Новые научные результаты и положения, выносимые на защиту.
Установлено, что учет динамических электронных корреляций и сильной p-d гибридизации в соединении ЬаСоОз позволяет воспроизвести экспериментально наблюдаемый спиновый переход при изменении температуры.
На основании результатов проведенного анализа статистического состава атомных состояний d-элемента в соединении ЬаСоОз сделан вывод о том, что ионы кобальта при низких температурах образуют смесь многочастичных низкоспиновых состояний с незначительным количеством ионов,
находящихся в высокоспиновых состояниях. При повышении температуры суммарный вес высокоспиновых конфигураций увеличивается, что приводит к формированию доминирующего высокоспинового состояния.
Показано, что учет электронных корреляций между гибри-дизованными s-p состояниями в системе Ваі_жКжВіОз позволяет описать эффект уменьшения частоты фононной моды, соответствующей сжатию и растяжению ВіОб октаэдров и преобразующейся по неприводимому представлению А\д, вблизи перехода в сверхпроводящее состояние при увеличении концентрации примеси и приводит к увеличению значения константы электрон-фононного взаимодействия.
Установлено, что учет динамических электронных корреляций, а также гибридизации между As-4p и Fe-Зс! состояниями позволяет корректно воспроизвести особенности экспериментально наблюдаемой спектральной картины в высокотемпературном сверхпроводнике LiFeAs.
Определен коэффициент увеличения эффективной массы носителей заряда в соединении LiFeAs, обусловленный наличием кулоновских корреляций; полученное значение хорошо согласуется с экспериментальными данными.
Научная и практическая значимость работы. Полученные результаты систематизируют и расширяют представления об электронных свойствах и кристаллической структуре твердых тел, а также могут быть использованы для построения теоретических моделей и интерпретации экспериментальных данных.
Методология. В качестве инструментов исследования применялись первопринципные методы расчета электронной структуры в рамках подходов LDA+U и LDA+DMFT, основанных на
теории функционала электронной плотности и приближениях статического и динамического среднего поля.
Достоверность. Достоверность представленных результатов обеспечивается применением проверенных и широко апробированных методов расчета магнитных, структурных и спектральных свойств, обоснованным выбором приближений и согласием полученных физических характеристик с экспериментальными данными.
Личный вклад автора. Автором проведены расчеты электронной структуры в приближении теории функционала электронной плотности всех исследованных соединений; вычислены параметры прямого и обменного кулоновского взаимодействия; выполнено построение гамильтонианов всех изучаемых систем в базисе функций Ванье; проведены расчеты соединения ЬаСоОз методом LDA+DMFT. Выбор объектов исследования, анализ, интерпретация и представление в публикациях полученных данных проводились диссертантом совместно с научным руководителем.
Апробация работы. Основные положения диссертации и отдельные её результаты были доложены автором на: XVIII Всероссийской научной конференции студентов-физиков ВНКСФ-18 (г. Красноярск, 2012 г.); III Международной конференции по сверхпроводимости и магнетизму (г. Стамбул, Турция, 2012 г.); XIII Всероссийской молодёжной школе-семинаре по проблемам физики конденсированного состояния вещества СПФКС-13 (г. Екатеринбург, 2012 г.); XVI Международной конференции по вычислительной физике и материаловедению (г. Триест, Италия, 2013 г.); Совместном семинаре Международного Центра Теоретической Физики (ICTP) и Государственного Фонда Естественных Наук Китая (NSFC) по современным расчетам электронной структуры (г. Шанхай, Китай, 2013 г.).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано три статьи в научных журналах, определенных Перечнем ВАК. Спи-
сок публикаций приводится в конце автореферата.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы; содержит 117 страниц машинописного текста, в том числе 21 рисунок и 2 таблицы. Список литературы включает 116 наименований.
